中央空调的变频调速设计Word文档格式.docx

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本论文主要浅谈有关中央空调的变频调速节能。

1中央空调的结构

中央空调的系统主要由两外部热交换系统组成，其一是冷冻水循环系统，其二是冷却水循环系统[1]。

如图1-1所示：

图1-1中央空调结构

1.1冷冻主机

每一个中央空调中都有一个“制冷源”，它其实就是我们常说的冷冻主机。

其作为一个制冷装置来说主要的作用就是将通过每个房间的冷冻水进行“内部热交换”，即把“高温度的冷冻水”变换成“低温度的冷冻水”。

中央空调系统最重要的部分是（主机）制冷循环系统，中央空调一半以上的耗能是制冷循环系统消耗的，所以制冷循环系统的节能对整个中央空调的节能是非常重要的。

制冷循环系统的节能可使压缩机受变频控制来实现。

因变频器具备有软启动、软自动的功能，使得压缩机的启动电流会减少很多，温度的上升也会减少，相对于普通的压缩机来说其运行噪声也较良好，震动也有所改善，且能快速调整输出。

若流量减小，压缩机的能耗以其减少的三次方比例，这大大的降低了能耗，一年平均可以减少30%左右在负荷小的情况下节能更明显，大约可节能到60%，这个节能对可持续发展来说是非常有意义的。

使多台压缩机一起制冷的方式也可以使制冷循环系统达到节能的效果。

这个方法就是，刚开机时所有的压缩机都启动制冷，待冷冻主机释放出的水在6℃以下，大约一个小时后可根据实际情况关掉一部分压缩机，剩下的压缩机受变频控制运行继续制冷，此时，冷冻主机释放出来的冷冻水的温度在7℃到9℃之间浮动，这样的节能效果也是较好的。

1.2冷却水塔

如图1-1所示，冷却水塔与冷却塔风机一起如此使用可延长冷却水与空气的热交换，这有利于冷却水的冷却。

冷却水塔与空气接触的表面积尽可能增大，冷却水与空气接触的表面积增大，即热交换加快。

在条件允许的情况下，冷却水塔尽可能间的高点，容量也尽可能大，这有利于冷却水再次冷却。

中央空调压缩机在制冷工作的过程中会连续的发热使其温度很高，需将其温度降到一定的温度以后才能使压缩机正常的运转。

一般情况下，采用水冷的方式来让压缩机进行降温，然而如果我们用的是高于37℃的水，就会适得其反，因为高于37℃的水注入到压缩机以后水会吸收大量的热量致使水温很快的升高，最终不能将压缩机的温度降下来，也可能会出现过高水温使得压缩机不能正常的工作。

在制冷过程中升温了的冷却水会经过冷却塔变为低于37℃的水，这样其就可以再次的循环利用。

1.3外部热交换系统

1.3.1冷冻水循环系统

在冷冻水循环系统中有两个部件是不可缺少的部分，分别是冷冻水管道和冷冻泵。

从冷冻主机流出的冷冻水被冷冻泵加压送入空调设备的盘管内，房间内的空气与冷冻水热交换，冷冻水将房间内的热量带走，带走热量的冷冻水温度升高，房间里的温度下降。

温度升高的冷冻回水又被空调主机转换为冷冻水，冷冻水以此方式不停地流动（循环）[2]。

从冷冻主机流出来（送到房间）的水称为冷冻水出水，经过房间后流回到冷冻主机的水叫冷冻回水，这两者之间有这样的关系：

冷冻回水温度高于冷冻出水。

1.3.2冷却水循环系统

冷却水管道、冷却泵、冷却水塔是构成冷却水循环系统的重要组成部分。

冷冻水回水和冷却主机进行热交换，冷冻水回水被冷却主机降温后，同时冷却主机放出大量的热量；

这些热量被冷却水进行吸收以后冷却水的温度会变高。

升温的冷却水被冷却泵压送入冷却水塔，在冷却水塔中升温的冷却水能够和大气进行热传递，且冷却塔风机能加快其热交换速度，这就实现了冷却水的降温，进而送回空调主机的目的[3]。

冷却水以这样的方式不断地流动着，为了将冷冻主机释放出的热量带走。

为了使冷却水循环水泵能稳定运行，防止出现汽蚀现象，通常在系统中设置冷却水箱。

冷却水箱可以按照实际情况设在制冷机房内，也可以设在屋面冷却塔旁边。

1.4冷却风机

冷却风机有两种形式：

盘管风机和冷却塔风机。

盘管风机是中央空调系统里重要的设备。

盘管风机安放在要降温的房间，其可以把被冷却水盘管冷却了的空气吹入需要降低温度的房间里面，这加快了房间内的热传递速度，即缩短了热传递的时间[4]。

冷却塔风机在中央空调中的功能是使升了温的冷却出水与大气进行热传递的速度加快，即降低冷却水塔中的水温，其安装方式如图1-1所示。

冷却风机使用变频器控制其运行的转速。

如在大型使用空调的环境中，根据人流量和季节相应地改变冷却风机的转速，此方法也可以减少风机的用电。

此控制方法是利用经验来估计风量的需求进行程序控制的。

2中央空调的变频控制设计

2.1冷水机组的工作原理

制冷压缩机工作方式如图2-1所示。

蒸发器中有低压气体制冷剂，此制冷剂被压缩机压缩成高压气体，然后进入冷凝器中。

冷却水在冷凝器和制冷剂进行热传递，降了温的制冷剂会变为高压的液体，然后流过热力膨胀阀，此时极大降低了液态制冷剂的压力，低压液态制冷剂进而进入蒸发器里面[5]。

升了温的冷冻水（回水）在蒸发器中被低压液态制冷剂降低，降了温的冷冻水经冷冻水泵送入房间进行热传递以达到降温的目的。

吸收了热量的低压液态制冷剂变为低压气态制冷剂，压缩机又将低压气态制冷剂转换成高压气态制冷剂，制冷循环又开始制作。

完成热交换之后的冷却水会在冷却水泵下进行一个加压的过程，接着会流进冷却水管道中，最终到达冷却塔，在塔中冷却水可以与空气进行热传递。

降了温的冷却水又流到冷冻主机中吸收冷冻主机的热量，冷却水以此方式不断地循环。

图2-1制冷压缩机工作方式

2.2水循环系统变频控制的方案

不论是在冷冻水循环还是冷却水循环系统中，变频调速技术的使用使能耗减少。

我们都可以通过该技术来控制水泵电动机的转速，达到减少能耗的目的，该过程中流量如果增多了，那么输送能耗也会增多，如果减少其也会随之减少。

2.2.1冷冻水循环系统的变频设计

如图2-2所示，其为冷冻水循环系统的变频控制的简单图像。

温度转换器把温度传感器感受到的冷冻水的回水温度，出水温度传送到PLC控制器内，冷冻水回水与冷冻水出水的温度差值得出；

此温差值是控制变频器的转速的重要依据，就是控制冷冻水流量的大小，即热传递的大小，如果房间里面很热，温差也会相应的变大，即需要更多的冷却水来使房间内的温度下降，所以此时冷冻泵的排水量应曾大，即增大冷冻泵的频率，使冷冻水带走更多的热量[6]；

反之，若房间里面温度低，温差也会相应的变小，即不需要那么多的冷却水来使房间内的温度下降，所以此时冷冻泵的排水量可适当减小，即减小冷冻泵的频率。

冷冻水的流量减少了，那么进行热交换的速度也会得到一定程度的减缓，这样就可以节约电能了。

因此，随着冷却水的需要量发生了变化以后，那么冷冻水泵所排出的冷冻水也会相应发生变化。

如果第一台电动机已经达到额定功率了，但是仍然达不到我们想要的温度时，我们就可以通过启动第二台电机在变频的条件下工作以达到目的。

接下来另外几台的操作也是类似。

因此，通过如此不断根据实际情况来调整控制的方法可以实现最佳减少耗能的效果。

图2-2冷冻水循环系统的变频控制示意图

2.2.2冷却水循环系统变频设计

冷却水循环系统主要根据回水水温及出水与回水之间的水温温差来控制。

出水温度tB与回水温度tA之间的“温度差Δt”可以很好的反应冷冻主机的发热情况和被冷却的效果，因为冷冻主机被冷却水带走的热量可以从温差的大小看出。

所以控制变频的主要依据因素里面可以将温度差Δt作为其中一个重要的因素之一。

如图2-3所示，图中横坐标是回水温度tA。

当温差大时，反映了主机放出的热量较多，此时应加大冷却水的流量，即提高冷却泵的频率；

与之相反的是当温差小时，主机会出现一种现象，那就是产生的热量变少了，这样冷却泵会相应地被降慢转速，从而冷却水的循环变慢了。

图2-3目标值范围

对于冷却主机中我们最关注的问题是冷却效果和其寿命，其中温度是影响这些问题的关键性因素。

我们对温度有严格的控制，即出水的温度不能超过37℃。

如果温度过高就会导致冷冻机的冷冻效果不佳。

冷却水循环系统的控制应是Δt=tB-tA与回水温度tA的结合控制，即回水温度tA确定温差Δt=tB-tA≤（37℃-tA）。

当回水温度tA低时，对冷冻主机的冷却有好处，为了节能，此时可允许温差的目标值比最大温差（37℃-tA）合理地低一点5℃以下；

而当回水温度tA高时，不利于冷冻主机的冷却，此时可允许温差的目标值比最大温差（37℃-tA）合理地低一点，3℃以下，但绝不能让回水温度超过37℃。

3中央空调变频调速算法

3.1变频调速

3.1.1变频调速的基本原理

同步转速受电动机的磁极对数、电源频率两者的影响：

n0=60f/p[7]（3—1）

式中：

n0——为同步转速.，单位为r/min；

f——为电源频率，单位为Hz；

P——为磁极对数[7]。

三相异步电动机转速公：

n=n0（1-S）=60f（1-S）/P[7]（3—2）

由三相异步电动机转速公式（3—2）可知异步电动机的调速方法有改变电动机P、f和S中的一个;

调节了交流电的频率，就相当于调节了同步转速，也就是调节了异步电动机的转动速度[8]。

就是说若电源的频率改变了，异步电动机的调速控制就可以实现了。

可以认为变频器能够任意改变交流电源的频率。

在异步电动机调速时，保持每极磁通为额定值不变是一个关键的因素。

气隙磁通小于额定气隙磁通Фm时，无法充分利用电动机的铁芯，造成了浪费；

反之，若气隙磁通超过额定气隙磁通Фm，电动机的铁芯就会产生过饱和，招致励磁电流过大，严重时可能会导致定子绕组温度过高而被烧坏。

每相绕组定子电动势公式：

E1=4.44KN1f1N1Фm[7]（3—3）

f1—定子频率，单位为Hz；

N1—定子每相绕组的串联匝数；

KN1—基波绕组系数；

Фm—每极气隙磁通量，Wb[7]。

变频有两种情况：

（1）基频以下调速。

即采用恒定的电动势。

从式子（3—3）得知，想要使Фm的值恒定，当式子右边的f1频率由额定的fm往低频率降的同时也要把式子左边的E1降低，但感应电动势不容控制。

可当在较高电动势下，电子绕组的漏磁阻抗压降是可以忽视的，认为定子绕组电压U等于E，则有U/f等于常数[7]；

当频率较低的时候，U1以及E1均很小，定子阻抗压降持有的份额均很明显，不可以把它省掉；

因此要合理地把电压U调高，为使约等于的补偿定子压降。

图3-1恒压频比控制特性

如图3-1所示，图中与U1轴有交点的直线b代表的是含有带定子压降补偿的恒压频比控制特性，直线a代表没有补偿的特性[9]。

（2）基频以上调速。

当调速范围在基频以上的时候，频率能够由几Hz开始向上调节，但是电压U1的磁通根据频率的增加反而降低，与直流电机弱磁升速的情况基本类似；

综合基频以上调速和基频以下调速两种调试方式，能够得出异步电动机的变频调速控制特性曲线，将在基频以上的部分归属于“恒功率调速”，然而对于“恒转矩调速”的调速则是在基频以下的部分[10]。

图3-2恒转矩与恒功率特性图

3.1.2变频调速的节能原理

地理位置导致的各种气候，季节的变化，白天与黑夜温度的变化，人数流动的变化，现实情况中，大部分时间热量的交换值远远达不到设计值。

冷冻泵电机转动的快慢决定了冷冻水流量的大小，冷冻水的流量管制热交换的大小。

水泵是二次方率负载，就是说转矩T和转速n的平方有着正比的关系，可得T*n=n3即电机轴的输出功率为W=n3，所以输出功率与转速的三次方有着正比的关系[11]。

可以这样理解，若电机转动的速度慢一点时，电动机功率所需要的能耗很减少得很明显，即耗电量也就减少很多。

因为以前电机频率是固定的，无法调节的，运行和停止就是电机拥有的工作状态，就是说即使需要的降温的空气不多，但最少也要开一台，电机的功耗比实际需要的负荷大很多，造成了电的浪费节电可以通过降低水泵的转速来达到效果。

由公式n=60f（1-s）/p可以得到转速与频率是呈现正比例的关系，如果要降低电机的固有频率，也就是从50Hz降到40Hz，那么就会有这样的情况，其实际的转动速度（n）只有固有频率的转动速度n0的0.8倍，就是n=0.8n0。

由上述可得电机在40Hz的情况下运行时的实际功率为：

W1=Kn1=K（0.8n0）3=0.512Kn03=0.512W0（3—4）

式中节电率应该为（W0-W1）/W0=（W0-0.512W0）/W0=48.8%。

以这样的情形来看，如果所用的机在频率为40Hz的工作状态下运行在，按理来说电动机实际消耗的功率只是原来的50%这样。

按理来说就是减少了48.8%的用电率，交流变频调速对减少用电是非常有作用的，可减少相当多的费用支出。

电机输出功率的大小事由其消耗的电量控制的，且电机的转动速度和供电的频率有着正比的关系正比。

这样的话就有下面的情况：

电机转速有轻微的减慢，即轻微减小供电频率，电动机输出功率就明显地下降。

若可以从实际情况出发来对电机转速进行合理的调整就可减少更多能耗的浪费和输出。

3.1.3变频调速的优点

（1）被变频驱动的电动机其效率会比未被变频驱动的电动机高约10%，温度的升高会小约20%，在直接转距控制或矢量控制的低频区域最显著。

（2）变频器的外形不大，安装也较简单等。

（3）调速范围较大，精度高。

（4）易于实现过程自动化。

（5）适用于需要经常调速、经常制动、经常启动的场所。

（6）启动时所需的电流较低，转矩较大，有较好的节电效果。

4变频器

4.1变频器原理

变频器有两种形式：

分别是交—交，交—直—交。

不需经过整流器和逆变器就能把工频交流电变换成频率还有电压都可以控制的交流电就是交—交变频器，也称直接式变频器[12]。

而需经过整流器和逆变器才能把工频交流电变换成频率、电压都可以控制的交流电就是交—直—交变频器，也称间接式变频器，也就是常见的通用变频器。

如图5-1所示，主电路和控制电路是变频器的基本构成组成。

整流器的功能是把交流电转换成直流电；

逆变器的功能是把直流电转换成可获得任意频率的交流电输出；

控制逆变器的开关，控制整流器的电压是控制电路最重要的任务。

图4-1变频器的基本构成

4.2变频器的选择依据

一般情况而言，交流电动机都会在额定频率和额定电压的条件下稳定的运行着，那么我们就可以认为其输出功率和轴上输出转矩可达到其额定值。

供电频率和电机的实际输出这两个物理量在变频调速的过程中会发生变化。

因为变频器具通用性这一特点所以选择合适的变频器与电动机匹配是很关键的一步。

变频器容量（kV.A）在连续恒负载运转条件下工作需同时满足的三个公式[5]：

（4—6）

（4—7）

（4—8）

PM—轴输出功率，单位为W；

—电动机的效率（通常约0.85）；

cosφ—功率因数；

UM—电动机的电压，单位为V；

IM—电动机的电流，单位为A；

k—电流波形修正系数；

PCN—抢变频器的额定容量，单位为kV.A；

ICN—笼更频器的额定电流，单位为A[5]。

以上面的介绍和联系实际情况的要求来选择变频器。

4.3变频器容量的确定

变频调速是通过变频器得以实现的，变频器容量的大小对于变频调速很重要。

节能降耗措施也可以通过选择合理的变频器的容量。

现有如下相对简便的两种方法：

一种方法是确定电机的实际功率：

将电机的实际功率测出，根据实际功率选合理的变频器容量。

另一种方法是公式法：

通常取1.05的安全系数，变频器的容量Pb=1.05Pm/hm×

cosy（kW）式中，Pm为电机负载；

hm为电机功率。

以Pb值为主要参考，根据变频器种类选出具体规格。

实际生活中将电机与一个变频器完成一个匹配的过程称之为变频器容量的选定过程。

如果要保证过程的安全性，首先需要一个条件，那就是变频器的容量要比电机的额定功率大，或者至少要两者相等。

但是电机的实际功率与额定功率这两者之间的相差值是实际在匹配过程中不得不考虑的问题。

通常情况下，若选择的设备能力偏大，那么其实际需要的能力反而越小。

因此，选择合理的变频器成为很关键的步骤。

其中一个合理的选择方式是以电机的实际功率来进行对变频器的选择。

因为这样的选择具有避免选用的变频器过大，投资曾大的这么一个优点。

变频调速有诸多优点的同时也存在一些不足之处。

最主要的是在电流中出现较多高次皆波的问题。

这会导致电网受到污染的可能性较大，这样电机自身的损耗加大，致使电机发热。

其次，变频器本身价格贵，技术上复杂不利于回收。

当需要实现闭环自动控制的时候，需要对其技术上进行一个处理。

最后，变频器对于一些情况下也不能发挥节电节水的作用，就比如对于电机负载变化不大，深井泵配有水塔的情况下时，变频器的作用就不大。

此时不适合使用变频调速的方式。

目前社会上由于电子高科技的迅猛发展，市面上的变频器价格会有所下降。

综合多方面技术于一体的变频器技术是使用在中央空调中最重要的技术。

该技术涵盖有控制技术，电子电力技术和微电子技术以及计算机技术的相关技术知识。

不同于传统的交流拖动系统，它以变频器的利用，通过对交流电动机进行调速控制的技术，取得了卓越的成效。

该技术呈现了诸多的优点，例如:

节电，易于调速控制操作，高效连续调速控制的范围大以及速度被的精准控制等等。

还有能够实现电动机的正反转交换过程，高额度的起，停运转过程以及进行电气制动的目标。

解决了大负载的启动问题。

如果电源功率因素影响越大，那么所需容量小，就组成了离散性能的控制系统。

完善的保护功能:

变频器保护功能变强可以归因为运行过程中各种故障会被随时的检测到的结果，而且还能显示出故障的类别，进而立即封锁输出的电压。

其中比如出现电网的瞬时电压降低了，电网缺相和功率模块过热，电机短路和直流过电压的类似故障时，变频器就会起到保护的作用。

该保护方式有利于变频器本身以后还防止电机不容易受到损坏。

4.4用变频器控制2台水泵方案

4.4.1“1控2”的切换

就是使两台水泵被一台变频器控制。

首先，为了区分两台水泵，将其用1、2标识出来，然后变频器控制1号泵工作，当冷负荷系统增大，实际温差大于设定温差且1号泵已经达到最大额定频率，经过短暂的延时后，变频器的输出频率快速下降到0Hz，同时1号泵被切换为工频状态下工作，然后2号泵则在变频状态下工作[13]。

当系统冷负荷减少时，1号泵退出工作，只有2号泵单独工作，然后完成一次加减泵的流程。

使用此方案可以减少所需的设备费用，但是存在着一个问题是不能实现两台水泵一起变频调速，从而不能达到节能效果。

4.4.2“1控1”的切换

就是使一台水泵只被一台变频器所控制。

首先，为了区分两台水泵，将其用1、2标识出来。

将泵1启动，其在变频的条件下工作。

当冷负荷系统增大以后，泵1变频器的输出频率会根据温差做出相应改变。

但温差若高于设定值时，泵2会被启动然后进行变频运转，泵1泵2同时进行了变频控制。

如果泵1变频器的输出频率下降到30Hz（下限频率）时，泵2减速且停止工作，系统只有泵1在变频的状态下工作。

为了使水泵使用的时间相当，主泵可以让两台水泵轮流担任。

采用这种方案具有的优点是节能效果十分显著，但仍不足的是一次性投入的费用相对较高，然而以长远的角度来看此方案是较为合理的。

通过上述的比较，决定采用“1控1”的变频控制方式。

在控制时还需注意：

一台水泵不管在什么时候都只由一台变频器拖动，即防止两台变频器一起拖动一台水泵导致交流短路事件。

如图4-2所示就是变频节能系统的组成示意图。

图4-2变频节能系统组成

4.5三菱FR-F540-37K-CH

该设计是采用变频器来控制水泵的转速，考虑到与水泵电机的优化匹配，设备的正常运行和性价比，又因为三菱FR-F540系列变频器是专门适用于水泵和风机的，采用一台变频器对应一台水泵，根据经验实际中可选用三菱FR-F540系列中37KM的变频器。

5可编程控制器

5.1PLC概述

PLC是可编程控制器（ProgrammableLogicController）的简称。

世界上制造PLC的厂中，比较有代表性的是日本的三菱公司和欧姆龙公司，德国的西门子公司和总部设在法国的施耐德自动化公司，美国自动化公司所属的A-B公司[14]。

全世界80%PLC市场被这几家公司控制。

PLC被广泛地应用在工业部门，PLC的使用让生产设备的灵活性更高，间接地节能，减少费用。

本设计使用日本的三菱PLC。

5.2PLC的基本组成和PLC工作原理

5.2.1PLC的基本结构

CPU模块、输入模块、输出模块和编程器是PLC的主要成分[14]（如图5-1所示）。

（1）存储器和微处理器是组成CPU模块的关键器件，CPU是PLC最重要的部分，它将外部输入的信号收集，执行用户程序，将用户程序执行的结果输出，即更新输出PLC主要使用的微处理器类型：

单片微处理器，位片式处理器和通用微处理器。

PLC常用的存储器有随机存取存储器（RAM）和只读存储器（ROM）[14]。

（2）I/O模块是输入模块和输出模块的简称，他们是外部现场和CPU的桥梁。

输入模块用来收集外部信息，输出模块用来更程序的新执行。

（3）程序的输入和程序的编辑可通过编程器来完成，在可编程控制器运行的时候，若想观察编程元件的工作状态可用编程器来观察。

图5-1PLC控制系统示意图

5.2.2PLC工作原理

PLC有这样的两种基本状态：

运行状态（RUN）和停